CN109532057B - 用于压力罐的制造方法和制造设备 - Google Patents

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Abstract

公开了用于压力罐的制造方法和制造设备。用于压力罐的制造方法包括：在模具内设置预制件，在该预制件中，在形成压力罐的内部空间的衬里的外表面上形成有纤维层；以及以预制件的中心轴作为旋转中心使预制件在模具内在圆周方向上旋转，同时从浇口朝向设置在模具内的预制件注射树脂。

Description

用于压力罐的制造方法和制造设备
技术领域
本公开内容涉及用于由纤维增强的压力罐的制造方法和制造设备，并且特别涉及在纤维中浸渍和固化树脂。
背景技术
日本未审查专利申请公布第2008-132717号(JP 2008-132717 A)公开了一种用于由纤维增强塑料(FRP)制成的罐的制造方法。在该制造方法中，在将纤维缠绕在金属芯周围以覆盖芯的涂覆步骤之后执行在纤维中浸渍树脂的浸渍步骤。此后，通过加热浸渍有树脂的纤维使树脂固化。
发明内容
认为上述方法适用于压力罐的制造。具体地，作为涂覆步骤，通过将纤维厚厚地层压在衬里(liner)上来制备预制件，并且将树脂浸渍在用作预制件的纤维层中。此处，当纤维被厚厚地层压时，树脂不容易被浸渍在距预制件表面较深位置处的纤维中。为了促进浸渍，考虑在高压下注射树脂。然而，当在高压下注射树脂时，可能出现问题使得将高压施加至浇口正下方的一个点并且使纤维或衬里变形。
本公开内容提供了一种用于压力罐的制造方法和制造设备，其能够在将树脂浸渍在纤维被厚厚地层压的预制件中以制造压力罐的情况下抑制由注射树脂造成的压力所引起的问题。
本公开内容的第一方面涉及一种用于压力罐的制造方法。该制造方法包括：在模具内设置预制件，在该预制件中，在形成压力罐的内部空间的衬里的外表面上形成有纤维层；并且以预制件的中心轴作为旋转中心使预制件在模具内在圆周方向上旋转，同时从浇口朝向设置在模具内的预制件注射树脂。根据本公开内容的第一方面，由于在注射树脂期间预制件在旋转，因此可以避免从浇口注射的树脂的压力集中在预制件的特定位置上。此外，由于在注射树脂期间预制件在旋转，因此树脂的流动长度(在本说明书中，“流动长度”是包括“实质流动长度”的含义)变短。结果，即使在更低的注射压力下也可以将树脂填充在模具与预制件之间。此外，抑制了由从浇口注射的树脂的压力造成的问题。
在根据本公开内容的第一方面的制造方法中，中心轴可以不在注射的方向上。在注射的树脂与预制件的表面碰撞的位置处在预制件的切向平面的方向上的由注射树脂造成的速度分量的方向可以是与由预制件的旋转造成的在圆周方向上的速度相反的方向。根据本公开内容的第一方面，从浇口注射的树脂容易被深深地浸渍在树脂与预制件的表面碰撞的位置处的纤维层中。此外，由于容易在预制件的表面上扩散从浇口注射的树脂，因此抑制了熔接痕(weld line)的生成。
在根据本公开内容的第一方面的制造方法中，模具可以包括第一模具和第二模具。浇口可以被设置在第一模具中。可以在注射期间在第一模具与预制件之间形成比第二模具与预制件之间的间隙更大的间隙。根据本公开内容的第一方面，树脂容易从浇口流入第一模具与预制件之间。此外，即使在更低的注射压力下也可以将树脂填充在模具与预制件之间。
在根据本公开内容的第一方面的制造方法中，在注射期间在第一模具与预制件之间形成的间隙可以是第一间隙。可以在完成将树脂填充到模具中之后紧固第一模具，以便形成在第一模具与预制件之间形成的间隙，作为比第一间隙更窄的第二间隙。根据本公开内容的第一方面，在完成将树脂填充到模具中之后，可以通过由紧固第一模具造成的压力的增加来推进浸渍。此外，可以沿着第一模具和第二模具使浸渍有树脂的预制件的表面平滑。
在根据本公开内容的第一方面的制造方法中，树脂可以是热固性树脂。可以在将树脂注射到模具中期间将模具的温度设定成等于或高于树脂的固化温度。根据本公开内容的第一方面，可以在更短的时间内使树脂从注射固化。
在根据本公开内容的第一方面的制造方法中，树脂可以是热固性树脂。可以将在开始将树脂注射到模具中时的模具的温度设定成低于树脂的固化温度。可以将在完成将树脂填充到模具中之后的模具的温度设定成等于或高于树脂的固化温度。根据本公开内容的第一方面，由于可以抑制在注射期间树脂粘度的增加，因此在更低的注射压力下也可以将树脂填充在模具与预制件之间。
本公开内容的第二方面涉及一种用于压力罐的制造设备。该制造设备包括：模具，其被配置成在预制件中浸渍树脂，在预制件中，在形成压力罐的内部空间的衬里的外表面上形成有纤维层；温度控制装置，其被配置成控制模具的温度；支承机构，其被配置成在模具内支承预制件；真空泵，其被配置成对模具内部进行真空脱气；加压装置，其被配置成通过对树脂加压从设置在模具中的浇口朝向预制件注射树脂；以及旋转机构，其被配置成在注射树脂期间以预制件的中心轴作为旋转中心在圆周方向上旋转由支承机构支承的预制件。
在根据本公开内容的第二方面的制造设备中，中心轴可以不在注射的方向上。在注射的树脂与预制件的表面碰撞的位置处在预制件的切向平面的方向上的由注射树脂造成的速度分量的方向可以是与由预制件的旋转造成的在圆周方向上的速度相反的方向。
在根据本公开内容的第二方面的制造设备中，模具可以包括第一模具和第二模具。浇口可以被设置在第一模具中。制造设备可以包括驱动机构，该驱动机构被配置成：在将树脂注射到模具中期间从第一模具被打开的状态紧固第一模具，以便在第一模具与预制件之间形成比第二模具与预制件之间的间隙更大的间隙。
在根据本公开内容的第二方面的制造设备中，在注射期间在第一模具与预制件之间形成的间隙可以是第一间隙。在完成将树脂填充到模具中之后，驱动机构可以紧固第一模具，以便形成在第一模具与预制件之间形成的间隙，作为比第一间隙更窄的第二间隙。
在根据本公开内容的第二方面的制造设备中，树脂可以是热固性树脂。温度控制装置可以在将树脂注射到模具中期间将模具的温度设定成等于或高于树脂的固化温度。
在根据本公开内容的第二方面的制造设备中，树脂可以是热固性树脂。温度控制装置可以将在开始将树脂注射到模具中时的模具的温度设定成低于树脂的固化温度，并且将在完成将树脂填充到模具中之后的模具的温度设定成等于或高于树脂的固化温度。
本公开内容可以以除上述之外的各种形式实现。例如，本公开内容可以以执行制造方法的制造设备的形式实现。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：
图1是示出预制件被设置在用于高压罐的制造设备中的状态的截面图；
图2是示出用于高压罐的制造方法的流程图；
图3是示出在注射树脂的同时使预制件旋转的状态的截面图；
图4是图3所示的IV-IV截面图；
图5是示出与预制件碰撞的树脂被扩散的状态的图；
图6是示出上部模具被紧固的状态的截面图；以及
图7是示出第二实施方式中的用于高压罐的制造方法的流程图。
具体实施方式
图1是示意性地示出预制件100被设置在制造设备10中的状态的截面图。此处，预制件100由表面而不是截面示出。制造设备10是从预制件100制造高压罐的设备。
预制件100包括衬里和纤维层，纤维层形成在衬里的外表面上并且与衬里一体。衬里是形成高压罐的内部空间的中空构件。纤维层的厚度为大约15mm至30mm。纤维层通过由长丝缠绕方法若干次将纤维缠绕在衬里的外表面上而形成。
制造设备10通过使用RTM方法在构成预制件100的纤维层中浸渍树脂J(在图3等中示出附图标记)并且使浸渍的树脂J固化来制造高压罐。RTM是树脂传递模塑的首字母缩写。
制造设备10包括模具25、旋转机构32、支承机构34、温度控制装置40、真空泵50、加压装置60、阀62、树脂储存器64、控制装置70和驱动机构80。模具25包括上部模具20和下部模具30。将与用于高压罐的制造方法一起描述上述构成元件。
图2是示出用于高压罐的制造方法的流程图。首先，温度控制装置40将模具25保持在预定温度(S205)。预定温度是等于或高于树脂J的固化温度的温度。树脂J是双液基热固性环氧树脂。
在本公开内容的第一实施方式中描述的制造方法是用于批量生产的方法，并且重复执行图2所示的一系列过程。尽管S205被示出为一个步骤，但是在重复执行一系列过程的同时连续执行S205。由于在如上所述保持预定温度的状态下重复执行一系列过程，所以可以紧接在完成一个高压罐的制造之后开始制造下一个高压罐。结果，可以增加每单位时间可以制造的高压罐的数目。
工人将预制件100设置在模具25内(S210)。具体地，工人使支承机构34支承预制件100。支承机构34相对于下部模具30可旋转地支承。支承机构34包括用于防止树脂J从上部模具20与下部模具30之间泄漏的橡胶制成的密封构件。在执行S210时，与图1所示的状态不同，上部模具20被打开。
驱动机构80根据控制装置70的控制暂时紧固上部模具20(S220)。在S210之后工人操作设置在控制装置70中的开关。当操作开关时，控制装置70通过控制制造设备10的各个部件来自动执行S220至S280。
暂时紧固是上部模具20被打开的状态与最终紧固状态之间的中间状态，并且是将树脂J移动到如图1所示的在上部模具20与预制件100之间存在间隙的位置。该间隙比下部模具30与预制件100之间的间隙更大。
即使当在下面要描述的S260中最终紧固上部模具20时，在上部模具20与预制件100之间也形成间隙。间隙的尺寸与下部模具30与预制件100之间的间隙的尺寸基本相同。通过考虑到通过填充并且浸渍树脂J使完成的高压罐的体积变得比预制件100的体积更大来设计如上所述的间隙的尺寸。
真空泵50根据控制装置70的控制开始真空脱气(S230)。真空脱气结束的定时与下面要描述的注射树脂的结束定时基本相同。如图3所示，旋转机构32根据控制装置70的控制开始旋转(S240)。
当旋转机构32旋转时，由支承机构34支承的预制件100在圆周方向上旋转。预制件100的旋转中心是预制件100的中心轴O。预制件100可以在预制件100被设置在模具25内的状态下旋转，因为与中心轴O正交的横截面的外部形状基本上是圆形的。如上所述，由于在下部模具30与预制件100之间存在间隙，所以即使当预制件100旋转时预制件100和下部模具30也几乎不会摩擦。
将树脂J注射到模具25中(S250)。具体地，控制装置70打开阀62并且利用加压装置60对存储在树脂储存器64中的树脂J加压。综上所述，树脂J流过设置在上部模具20中的流道22，并且将树脂J从浇口24朝向预制件100注射。
因为在注射树脂J时预制件100旋转，与预制件100不旋转的情况相比抑制了熔接痕的生成。这是因为与预制件100不旋转的情况相比树脂J的流动长度变得更短。在预制件100不旋转的情况下，预制件100在圆周方向上的流动长度变为预制件100的外周表面的大约一半。
关于以上描述，当预制件100旋转时，树脂J通过该旋转而移动。因此，流动长度变短了与该移动相当的量。此外，当流动长度变短时，在从浇口24注射之后流入不同方向的树脂J在树脂J的固化进行之前结合在一起。因此，抑制了熔接痕的生成。
此外，由于流动长度变短，所以即使当将浇口24中的注射压力设定成更低的注射压力值时也可以将树脂J充分地填充到模具中。结果，在从浇口24注射的树脂J与预制件100碰撞的区域中，抑制了诸如纤维层或衬里变形的问题。
图4是图3中所示的IV-IV截面图。在图1和图3中，为了便于说明，浇口24被示出为位于中心轴O的正上方。然而，实际上，如图4所示，浇口24位于从中心轴O的正上方偏移的位置。此外，如图4所示，从浇口24注射树脂J的方向是竖直方向。下部模具30被安装在水平平面上。为此，注射方向位于从中心轴O扭转的位置。中心轴O不在注射方向上。也就是说，没有将树脂J注射到中心轴O。
由于注射方向位于从中心轴O扭转的位置，因此从浇口24注射的树脂J倾斜地与预制件100的表面碰撞。也就是说，从浇口24注射的树脂J在与预制件100碰撞时具有在预制件100的切向平面T的方向上的速度分量。第一实施方式中的速度是矢量。如图4所示，速度分量的方向是与由旋转造成的预制件100的在圆周方向上的速度相反的方向。在下文中，如上所述的速度关系被称为逆流。
由于逆流，增加了预制件100的表面的速度与注射的树脂J的速度之间的相对速度。结果，从浇口24注射的树脂J当与预制件100的表面碰撞时容易被浸渍到位于纤维层深处的纤维。
图5示出了与预制件100碰撞的树脂J被扩散的状态。如上所述，当与预制件100碰撞的树脂J的部分被浸渍在纤维层内部时，同时剩余的树脂J在预制件100与上部模具20之间流动。由于在预制件100与上部模具20之间流动的树脂J是逆流，因此树脂J被分成在沿着预制件100的旋转的方向上的流动和在与预制件100的旋转相反的方向上的流动，并且树脂J在预制件100与下部模具30之间流动。在图5中示出了在与预制件100的旋转相反的方向上的流动。
树脂J被如图5所示扩散的原因在于：当树脂J在与预制件100的旋转相反的方向上流动时，朝向下部模具30的动量变弱，由于随后注射的树脂J而受到压力，并且因此，树脂J容易流向中心轴O的两端。
因为树脂J被如上所述扩散，所以进一步抑制了熔接痕的生成。这是因为：即使当扩散的树脂J和在旋转方向上流动并且没有被扩散的树脂J结合在一起时，扩散程度或流速也不同，因此不容易形成痕。
由于如上所述在注射树脂J期间暂时紧固上部模具20，因此上部模具20与预制件100之间的间隙的流动阻力小。为此，上部模具20与预制件100之间的整个间隙快速地被注射的树脂J填充。结果，由于在树脂J的固化进行之前完成将树脂J填充到模具中，因此进一步抑制了熔接痕的生成并且预制件100与模具25之间的整个间隙容易地并且均匀地被树脂填充。
在完成将树脂J填充到模具中之后，控制装置70驱动驱动机构80以最终紧固上部模具20(S260)。也就是说，上部模具20从暂时紧固状态进一步被紧固。图6示出了最终紧固上部模具20的状态。通过执行S260增加从模具25接收到的树脂J的压力。由于压力的增加，促进了浸渍，位于纤维层表面附近的树脂J被平整化，并且表面变得平滑。
此后，在树脂J的固化完成之前，控制装置70停止预制件100的旋转(S270)。此后，在树脂J被固化之后，控制装置70驱动驱动机构80以打开上部模具20(S280)。执行S260、S270和S280的定时是由从S250开始起经过的时间来管理。
当树脂J的固化完成时，获得高压罐。最后，工人取出高压罐(S290)。
如上所述，根据第一实施方式，实现了抑制由集中在浇口24正下方的一个点上的注射的树脂J的压力造成的问题、抑制熔接痕的生成、制造时间的缩短、将树脂J均匀填充到模具中并且将树脂J浸渍到纤维层中。
将描述第二实施方式。第二实施方式的描述主要针对与第一实施方式中的点不同的点。特别地，未具体描述的点与第一实施方式中的点相同。
图7是示出第二实施方式中的用于高压罐的制造方法的流程图。与第一实施方式不同的点是改变S205并且添加S265。
在第二实施方式中的S205中，温度控制装置40将模具25的温度设定成等于或低于树脂J的固化温度的温度。
在S260之后并且在S270之前执行S265。在S265中，将模具25的温度设定成等于或高于树脂J的固化温度的温度。
为此，在浇注树脂J(S250)时的模具25的温度低于树脂J的固化温度，并且在完成将树脂J填充到模具中之后的模具25的温度等于或高于树脂J的固化温度。如在第二实施方式中使用的表述“在完成将树脂J填充到模具中之后”并不意味着紧接在填充完成之后而是意味着当自完成将树脂J填充到模具中以来经过预定时间时的时间点。在第二实施方式中，紧接在完成将树脂J填充到模具中之后的模具25的温度低于树脂J的固化温度。在其他实施方式中，紧接在开始模具25的温度升高并且自开始树脂J的注射以来完成将树脂J填充到模具中之后的模具25的温度可以变为等于或高于树脂J的固化温度。在第二实施方式中，S270和S280的定时是由从S265起的经过的时间来管理。
根据第二实施方式，可以抑制在浇注树脂J时树脂J的粘度的增加。结果，可以设定更低的注射压力，并且可以进一步抑制熔接痕的生成。
本公开内容不限于本说明书的实施方式并且可以在不偏离本公开内容的主旨的范围内以各种配置来实现。例如，在与“发明内容”栏中描述的各个方面中的技术特征对应的在实施方式中的技术特征中，为了解决上述问题中的一些或全部或者为了实现上述效果中的一些或者全部，可以适当地进行替换和组合。此外，除非在本说明书中将上述技术特征描述为必不可少的，否则可以适当地删除这些技术特征。例如，举例说明以下实施方式。
浇口24可以位于中心轴O的正上方，并且树脂J的注射方向可以与中心轴O相交。
从浇口24注射树脂的方向可以不是竖直方向。也就是说，从浇口24注射树脂的方向也可以是倾斜的。
可以在最终紧固上部模具20的状态下注射树脂J。替选地，可以在树脂J的注射开始点处暂时紧固上部模具20，并且可以在完成填充之前最终紧固上部模具20。
流道22和浇口24可以被设置在下部模具30中。
下部模具30可以不被安装在水平平面上。
在预制件100的切向平面T的方向上的速度分量的方向可以是与由旋转造成的预制件100的圆周速度相同的方向。
树脂可以不是热固性树脂，并且可以是例如热塑性树脂或可光固化树脂。

Claims (10)

1.一种用于压力罐的制造方法，所述制造方法的特征在于包括：
在模具内设置预制件，在所述预制件中，在形成压力罐的内部空间的衬里的外表面上形成有纤维层；以及
以所述预制件的中心轴作为旋转中心使所述预制件在所述模具内在圆周方向上旋转，同时从浇口朝向设置在所述模具内的所述预制件注射树脂，其中，所述中心轴不在注射的方向上；并且
其中，在注射的树脂与所述预制件的表面碰撞的位置处在所述预制件的切向平面的方向上的由注射所述树脂造成的速度分量的方向是与由所述预制件的旋转造成的在所述圆周方向上的速度相反的方向。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：
所述模具包括第一模具和第二模具；
所述浇口被设置在所述第一模具中；并且
在所述注射期间在所述第一模具与所述预制件之间形成比在所述第二模具与所述预制件之间的间隙更大的间隙。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：
在所述注射期间在所述第一模具与所述预制件之间形成的间隙是第一间隙；并且
在完成将所述树脂填充到所述模具中之后紧固所述第一模具，以便形成在所述第一模具与所述预制件之间形成的间隙，作为比所述第一间隙更窄的第二间隙。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的制造方法，其特征在于：
所述树脂是热固性树脂；并且
在将所述树脂注射到所述模具中期间，将所述模具的温度设定成等于或高于所述树脂的固化温度。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的制造方法，其特征在于：
所述树脂是热固性树脂；
在开始将所述树脂注射到所述模具中时的所述模具的温度被设定成低于所述树脂的固化温度；并且
在完成将所述树脂填充到所述模具中之后的所述模具的温度被设定成等于或高于所述树脂的固化温度。
6.一种用于压力罐的制造设备，所述制造设备的特征在于包括：
模具，其被配置成在预制件中浸渍树脂，在所述预制件中，在形成压力罐的内部空间的衬里的外表面上形成有纤维层；
温度控制装置，其被配置成控制所述模具的温度；
支承机构，其被配置成在所述模具内支承所述预制件；
真空泵，其被配置成对所述模具内部进行真空脱气；
加压装置，其被配置成通过对所述树脂加压来从设置在所述模具中的浇口朝向所述预制件注射所述树脂；以及
旋转机构，其被配置成在注射所述树脂期间以所述预制件的中心轴作为旋转中心在圆周方向上旋转由所述支承机构支承的所述预制件，
其中，所述中心轴不在注射的方向上；并且
其中，在注射的树脂与所述预制件的表面碰撞的位置处在所述预制件的切向平面的方向上的由注射所述树脂造成的速度分量的方向是与由所述预制件的旋转造成的在所述圆周方向上的速度相反的方向。
7.根据权利要求6所述的制造设备，其特征在于：
所述模具包括第一模具和第二模具；
所述浇口被设置在所述第一模具中；并且
所述制造设备包括驱动机构，所述驱动机构被配置成：在将所述树脂注射到所述模具中期间从所述第一模具被打开的状态紧固所述第一模具，以便在所述第一模具与所述预制件之间形成比所述第二模具与所述预制件之间的间隙更大的间隙。
8.根据权利要求7所述的制造设备，其特征在于：
在所述注射期间在所述第一模具与所述预制件之间形成的间隙是第一间隙；并且
在完成将所述树脂填充到所述模具中之后，所述驱动机构紧固所述第一模具，以便形成在所述第一模具与所述预制件之间形成的间隙，作为比所述第一间隙更窄的第二间隙。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的制造设备，其特征在于：
所述树脂是热固性树脂；并且
在将所述树脂注射到所述模具中期间，所述温度控制装置将所述模具的温度设定成等于或高于所述树脂的固化温度。
10.根据权利要求6至8中任一项所述的制造设备，其特征在于：
所述树脂是热固性树脂；并且
所述温度控制装置将在开始将所述树脂注射到所述模具中时的所述模具的温度设定成低于所述树脂的固化温度，并且将在完成将所述树脂填充到所述模具中之后的所述模具的温度设定成等于或高于所述树脂的固化温度。
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